夏 尚，童良懷,王 濤，慎哲恒

(衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心, 衢州 324000)

2016年8月11日，當(dāng)陽(yáng)市馬店矸石發(fā)電有限責(zé)任公司熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目在試生產(chǎn)過(guò)程中，2號(hào)鍋爐高壓主蒸汽管道上的“焊接式長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)”裂爆，造成22人死亡，4人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約2 313萬(wàn)元。調(diào)查表明，該起事故主要是由噴嘴流量計(jì)焊縫裂爆引起的。流量計(jì)內(nèi)部承受高溫高壓蒸汽，但流量計(jì)未被列入《特種設(shè)備目錄》，所以其不受特種設(shè)備相關(guān)部門的監(jiān)管，而流量計(jì)制造行業(yè)的研究方向主要集中在計(jì)量的準(zhǔn)確性上，對(duì)于焊接性能方面的研究并不多，特別是在焊縫檢測(cè)環(huán)節(jié)，少有報(bào)道研究。

1 流量計(jì)結(jié)構(gòu)及焊縫常見(jiàn)缺陷

噴嘴流量計(jì)一般由兩個(gè)采用對(duì)接焊接連接的環(huán)室短節(jié)及噴嘴組成，環(huán)室短節(jié)及焊縫材料為低合金耐熱鋼，流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。由于流量計(jì)兩環(huán)室短節(jié)較厚，在焊接時(shí)容易產(chǎn)生未焊透缺陷，當(dāng)陽(yáng)事故發(fā)生的原因就是焊接接頭存在未焊透缺陷，其最薄處的焊縫有效厚度僅有2 mm，承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求。衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心項(xiàng)目研究人員對(duì)該市5家熱電企業(yè)使用的20余臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行了調(diào)研，并采用射線、超聲、金相檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，大部分流量計(jì)焊縫都存在未焊透，少部分還存在裂紋、未熔合、非金屬夾雜物等缺陷。項(xiàng)目研究人員經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一般流量計(jì)制造企業(yè)在制造過(guò)程中不對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，采用的焊接工藝也沒(méi)有經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定。焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，流量計(jì)焊縫韌性極差，容易產(chǎn)生焊接缺陷。且流量計(jì)實(shí)際服役于高溫高壓環(huán)境中，材料易裂化，所以對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)非常有必要。

圖1 流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意

2 A型脈沖超聲波技術(shù)的檢測(cè)難點(diǎn)

由于流量計(jì)中噴嘴結(jié)構(gòu)的存在，所以無(wú)法采用射線對(duì)其焊縫進(jìn)行檢測(cè)。為了驗(yàn)證超聲檢測(cè)的可行性，研究人員首先采用A型脈沖超聲檢測(cè)，同時(shí)將流量計(jì)沿軸向進(jìn)行八等分切割，并移除噴嘴后用射線對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)復(fù)核，復(fù)核結(jié)果顯示兩種檢測(cè)結(jié)果基本一致，故可以采用A型脈沖超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)流量計(jì)焊縫進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)，但由于流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊(見(jiàn)圖2)，對(duì)其進(jìn)行超聲檢測(cè)存在以下難點(diǎn)[1]。

(1) 超聲檢測(cè)時(shí)，探頭只能在環(huán)室短接處拖動(dòng)掃查，但環(huán)室短接長(zhǎng)度L1過(guò)短，如果只選用一個(gè)探頭，L1無(wú)法滿足NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》 規(guī)定的最短探頭移動(dòng)區(qū)的要求；同時(shí)通氣腔L2阻擋了二次波向上傳輸?shù)穆肪€。

(2) 通氣腔、噴嘴、焊縫、環(huán)室短接之間存在著3處空隙區(qū)(見(jiàn)圖2紅圈處)，超聲波聲束無(wú)法穿越空隙區(qū)并到達(dá)焊縫內(nèi)部。

圖2 流量計(jì)焊接接頭結(jié)構(gòu)示意

綜上所述，由于結(jié)構(gòu)特殊，流量計(jì)內(nèi)部的超聲波聲束傳播路線非常復(fù)雜，往往一個(gè)探頭的掃查范圍無(wú)法覆蓋整個(gè)焊縫厚度，所以需要選用幾個(gè)不同K值的探頭來(lái)組合使用，一般大K值探頭的一次波掃查焊縫下部，小K值探頭的二次波掃查焊縫上部。

3 常規(guī)探頭的模擬分析方法

為了篩選出能夠覆蓋整個(gè)焊縫厚度的探頭K值組合，以往檢測(cè)人員采用三角函數(shù)計(jì)算、AutoCAD繪圖等人工方式進(jìn)行計(jì)算[2]。檢測(cè)人員繪制流量計(jì)結(jié)構(gòu)，再計(jì)算出若干個(gè)探頭的焊縫掃查范圍，掃查范圍疊加后若能覆蓋整個(gè)焊縫厚度，即代表該組探頭適用。對(duì)每一種不同規(guī)格的流量計(jì)、不同K值的探頭都需要單獨(dú)計(jì)算，計(jì)算量龐大，容易產(chǎn)生誤差，計(jì)算出的探頭組合可能并不是缺陷檢出率最高的組合。

4 流量計(jì)焊縫超聲檢測(cè)模擬分析軟件

4.1 軟件的開發(fā)

為了使流量計(jì)焊縫的超聲檢測(cè)結(jié)果更加直觀、高效、準(zhǔn)確，免去人工計(jì)算探頭組合的繁瑣和誤差，研究人員以人工三角函數(shù)計(jì)算為原理，借助計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，開發(fā)出了“流量計(jì)焊縫超聲檢測(cè)模擬分析軟件”，該軟件采用Visual Studio 2013 64位、QT 5.6.0 32位、Inno Setup 5.5.4 32位為開發(fā)工具，以C++為開發(fā)語(yǔ)言，搭建VS2013+QT5.6.0的開發(fā)環(huán)境，通過(guò)VS自身創(chuàng)建QT項(xiàng)目功能創(chuàng)建了原始的空白界面，系統(tǒng)版本號(hào)等固定信息存儲(chǔ)在mysetting.ini文件中，另外創(chuàng)建了CGlobal.cpp和CGlobal.h來(lái)存儲(chǔ)全局變量，以便不同頁(yè)面模塊間傳遞數(shù)據(jù)。由于默認(rèn)的標(biāo)題欄不夠美觀，所以添加了長(zhǎng)條形gif動(dòng)態(tài)圖片為標(biāo)題欄底圖，并單獨(dú)制作放大、縮小、退出等操作按鈕。為了將操作界面與繪制界面耦合，單獨(dú)新建了繪圖MyPad界面，作為Scanner界面的子界面，參數(shù)設(shè)置等都在Scanner主界面上。之后通過(guò)重寫paintEvent(QPaintEvent *event)的方法，在MyPad界面上繪制圖形[3]。

4.2 軟件功能介紹

該軟件能夠根據(jù)檢測(cè)人員輸入的流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)時(shí)形成對(duì)應(yīng)圖形，并根據(jù)選擇的探頭K值模擬出聲束路線和掃查范圍，最終自動(dòng)分析出能掃查整個(gè)焊縫厚度所需的探頭K值組合，節(jié)約了檢測(cè)前的準(zhǔn)備時(shí)間，極大地提高了工作效率。

該軟件操作主頁(yè)面分為5大區(qū)域，操作主頁(yè)面如圖3所示，具體描述如下：1處是流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)錄入?yún)^(qū)，在此區(qū)域檢測(cè)人員可以錄入流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)左上角會(huì)自動(dòng)顯示與坡口垂直的K值(為之后選擇最優(yōu)K值做參考)；3處是圖形區(qū)，根據(jù)錄入的流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，該區(qū)域能夠展示對(duì)應(yīng)的圖形，并且整個(gè)圖形可以通過(guò)鼠標(biāo)上下左右拖動(dòng)，還可以通過(guò)鼠標(biāo)滾輪放大、縮小畫面。為了方便缺陷定位，以坡口中心線和平臺(tái)的交點(diǎn)為零點(diǎn)，鼠標(biāo)指針處顯示當(dāng)前鼠標(biāo)坐標(biāo)；4處是探頭，在手動(dòng)計(jì)算模式時(shí)，可以通過(guò)鼠標(biāo)按住探頭水平左右拖動(dòng)(L范圍內(nèi)拖動(dòng))，從而實(shí)時(shí)模擬出超聲波聲束走向和焊縫掃查范圍；2處是智能計(jì)算結(jié)果區(qū)，根據(jù)錄入的流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和預(yù)置探頭參數(shù)，選擇智能計(jì)算后會(huì)在該區(qū)域展示推薦的探頭選擇方案。

圖3 軟件操作主頁(yè)面

5處右上角功能介紹：

(1) “探頭選擇”下拉框表示可以從“探頭庫(kù)”選擇不同規(guī)格的探頭，繪圖區(qū)域的探頭大小和角度也會(huì)隨之變化。為了提高檢出率，探頭排列順序是根據(jù)與坡口垂直的K值大小實(shí)時(shí)調(diào)整的。“探頭庫(kù)”中最多預(yù)置30個(gè)探頭，設(shè)置探頭的參數(shù)包括前沿和K值。

(2) “圖形復(fù)位”按鈕在流量計(jì)圖形被拖動(dòng)或放大、縮小后，可以回到最初的狀態(tài)。

(3) “智能計(jì)算”按鈕可以在當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)和預(yù)置探頭的情況下，自動(dòng)計(jì)算可以100%覆蓋焊縫厚度的探頭組合，最多顯示10組結(jié)果。

(4) “清除計(jì)算”按鈕，可將當(dāng)前智能計(jì)算結(jié)果清除，否則會(huì)一直顯示當(dāng)前的覆蓋圖像，無(wú)法手動(dòng)操作。

(5) “截圖”按鈕可以將當(dāng)前軟件界面截圖，并保存至軟件安裝目錄下的“screenShot”文件夾，可輸出現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的指導(dǎo)圖。

4.3 軟件的檢測(cè)案例

檢測(cè)人員對(duì)某熱電公司流量計(jì)進(jìn)行超聲檢測(cè)，利用該軟件手動(dòng)掃查或智能計(jì)算兩種模式，篩選出能夠覆蓋焊縫全厚度的探頭K值組合。

(1) 手動(dòng)掃查模式。檢測(cè)人員首先在軟件上部的“流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)錄入?yún)^(qū)”輸入流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖形區(qū)自動(dòng)展示出對(duì)應(yīng)的圖形，手動(dòng)點(diǎn)選橘黃色的K1探頭并拖動(dòng)(只允許在L內(nèi)拖動(dòng))，在拖動(dòng)過(guò)程中被掃查到的焊縫區(qū)域會(huì)填充相應(yīng)橘黃色的線條，手動(dòng)掃查后發(fā)現(xiàn)，K1探頭所代表的橘黃色區(qū)域無(wú)法覆蓋焊縫全厚度；檢測(cè)人員繼續(xù)選用紅色的K2探頭,以同樣的方式在L內(nèi)拖動(dòng)探頭，在拖動(dòng)過(guò)程中被掃查到的焊縫區(qū)域會(huì)填充相應(yīng)的紅色線條，同時(shí)左上角顯示當(dāng)前的完成率(即覆蓋率)，如果100%覆蓋焊縫厚度，則會(huì)彈出提示“掃查完成”。100%掃查完成示意如圖4所示，經(jīng)過(guò)手動(dòng)掃查模式分析出選用前沿6.5 mm的K1探頭和前沿6.5 mm的K2探頭組合,即可100%覆蓋焊縫全厚度。

圖4 100%掃查完成示意

(2) 智能計(jì)算模式。智能計(jì)算模式下不需要檢測(cè)人員通過(guò)手動(dòng)拖動(dòng)探頭完成模擬掃查，軟件會(huì)自動(dòng)模擬鼠標(biāo)拖動(dòng)探頭的掃查過(guò)程，完成探頭篩選。由于流量計(jì)的常見(jiàn)缺陷為根部未焊透和坡口未熔合，考慮此類缺陷的檢出率，智能計(jì)算時(shí)軟件會(huì)優(yōu)先選擇K1探頭及與坡口角度近似垂直的K值探頭進(jìn)行自動(dòng)模擬掃查，如不滿足焊縫覆蓋率，再繼續(xù)按探頭列表中的其他探頭進(jìn)行自動(dòng)模擬掃查，以確保覆蓋焊縫整個(gè)厚度的基礎(chǔ)上,首先選用檢出率較高的K值探頭。智能計(jì)算過(guò)程中無(wú)法操作鼠標(biāo)，需要中途退出則按 “Esc”鍵。智能計(jì)算結(jié)束后，在“結(jié)算結(jié)果欄”中會(huì)最多顯示10組方案，按所需探頭數(shù)量由少到多，從左到右排列(見(jiàn)圖5)。該流量計(jì)采用的超聲檢測(cè)方案1為選用前沿6.5 mm的K1探頭和前沿6.5 mm的K2探頭，其余還有9組其他方案供選擇。為了方便檢測(cè)人員驗(yàn)證每個(gè)探頭的覆蓋情況，檢測(cè)人員點(diǎn)擊不同方案，能顯示出對(duì)應(yīng)的覆蓋圖像。

圖5 智能計(jì)算結(jié)果示意

5 結(jié)語(yǔ)

該軟件根據(jù)流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和探頭K值，利用三角函數(shù)原理實(shí)時(shí)生成對(duì)應(yīng)的焊縫掃查圖像，并根據(jù)坡口角度得到檢出率最高的探頭K值組合，實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)焊縫厚度，優(yōu)化了探頭組合；借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，幾乎可以瞬時(shí)計(jì)算出10組探頭組合供檢測(cè)人員選用，免去人工計(jì)算的繁瑣；只要保證流量計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入正確，軟件的計(jì)算結(jié)果正確率為100%，極大地提高了超聲檢測(cè)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，軟件也具有良好的人機(jī)界面，無(wú)需聯(lián)網(wǎng)，硬件要求低，操作直觀簡(jiǎn)單，方便檢測(cè)人員掌握和使用。

項(xiàng)目組研究人員利用該軟件選用了探頭組合，在流量計(jì)的人工缺陷試塊上能夠掃查焊縫整個(gè)厚度，進(jìn)一步驗(yàn)證了軟件的可靠性，提升了流量計(jì)的安全性能，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。